Filterung von Verschmutzung: Ein Mikrofluidikgerät zur Sammlung von Mikroplastik durch akustisches Fokussieren

Kunststoffpartikel, die kleiner als 5 mm sind und als Mikroplastik (MPs) bekannt sind, sind ein ernsthaftes Umweltproblem. Sie entstehen durch den Abbau von Kunststoffabfällen aufgrund von Abnutzung, Sonneneinstrahlung oder durch Faserabfälle in Waschwasser und als Mikrokügelchen in Kosmetikprodukten. Sie absorbieren und führen schädliche Chemikalien ein, die die Umwelt verschmutzen. Bis 2050 könnten MPs die Fische in den Ozeanen überzahl. Angesichts dieser Umstände sind die Sammlung und Entfernung von MPs aus Wasser äußerst wichtig.

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In der Regel werden MPs durch Filtration von Wasser durch Netze gesammelt. Der Sand und biologische Abfall werden von MPs durch Dichteseparation bzw. chemische Behandlung getrennt. Danach wird das MPs manuell aufgesammelt, was arbeitsaufwendig und zeitraubend ist. Außerdem können sich die Netze leicht verstopfen und können keine Teilchen kleiner als ihre Apertur sammeln. Sie erfordern auch eine häufige Wartung und sind teuer. Angesichts dieser Mängel haben Forscher Mikrofluidikgeräte – Systeme, die kleine Flüssigkeitsmengen unter Verwendung von mikrometergroßen Kanälen steuern – entwickelt, die akustisches Fokussieren nutzen, um MPs zu sammeln.

Die akustische Technologie erzeugt Ultraschallwellen, die MPs in die Mitte des Flüssigkeitsstroms transportieren und somit die gesammelte Menge von MPs erhöhen. Jedoch erfordert eine hohe Anreicherung von MPs unter Verwendung derzeitiger Mikrofluidikgeräte eine wiederholte Fluidrekirculation durch sie. Vor diesem Hintergrund hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Prof. Yoshitake Akiyama vom Lehrstuhl für Maschinenbau und Robotik der Fakultät für Textilwissenschaft und -technologie an der Shinshu University ein Gerät mit hoher Anreicherung für 10-200 μm MPs entwickelt.

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Dieses Gerät wurde in einer Studie beschrieben, die von Prof. Hiroshi Moriwaki vom Fachbereich angewandte Biologie, Fakultät für Textilwissenschaft und -technologie, Shinshu University, mitverfasst wurde, die am 26. März 2023 online verfügbar gemacht wurde und am 15. Juni 2023 im Fachjournal Separation and Purification Technology veröffentlicht wird.

„Unser vorgeschlagenes Mikrofluidikgerät, das auf einer hydraulisch-elektrischen Analogie basiert, hat drei miteinander verbundene 1,5 mm breite Mikrokanäle über vier serielle 0,7 mm breite dreifache Verzweigungen. Die MPs werden im mittleren Mikrokanal mit einer 500 kHz Resonanzfrequenz durch eine bulkakustische Welle in der Mitte ausgerichtet. Dadurch muss bei jedem Verzweigungspunkt eine 3.2-fache Anreicherung von MPs erfolgen, was zu einer insgesamt 105-fachen Anreicherung führt“, erklärt Prof. Akiyama die Gestaltung ihres Geräts. Während die MPs aus dem mittleren Zweig der dreifachen Verzweigungen gesammelt werden, wird der verbleibende, MPs-freie Flüssigkeitsstrom aus den anderen Zweigen entfernt.

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Die Forscher bewerteten die Sammelleistung des Geräts durch Messung seiner Gesamtsammlungsraten für Mikropartikel mit Durchmessern von 5, 10, 15, 25, 50 und 200 μm. Die Sammlungsraten überstiegen 90% für alle, außer 5 μm Mikropartikel, die zu klein zum akustischen Steuern waren. Darüber hinaus testeten die Forscher das Gerät anhand von zwei Wassermischungen. Eine enthielt kleine MPs (25-200 μm) und eine andere sehr kleine MPs (

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Von David Mitchell

David Mitchell ist ein kritisch anerkannter Autor für seine innovativen Geschichten erzählen und einzigartige narrative Strukturen. Seine Romane, darunter "Cloud Atlas" und "The Bone Clocks", wurden für zahlreiche literarische Auszeichnungen kurz gelistet und in erfolgreiche Filme und Fernsehsendungen angepasst.

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